基于機電一體化系統設計理論的滲透壓儀研究

李學哲 任宏德 曹陽 高全明

【摘要】滲透壓儀在醫藥、衛生領域應用十分廣泛。目前，常用的滲透壓儀大多結構復雜、價格昂貴、檢測效率和精度低。鑒于此，文章提出了一種基于機電一體化設計理論的新型滲透壓測試儀器，重點介紹了該儀器的原理、實現方案及功能特點。該儀器具有體積小、精度高、檢測速度快等優點。另外，儀器設有數據傳輸接口，方便數據的分析與綜合利用。

【關鍵詞】滲透壓儀;機電一體化;冰點測量;醫藥衛生

Abstract：Osmotic pressure meter is widely used in medicine，health. At present，the most commonly used osmotic pressure meter have disadvantages of complex structure，high cost，low precision and efficiency. To solve these problems，we propose a novel osmotic pressure test instrument in the paper，which is designed by mechanotronics theory. Meanwhile，the principle，the realization scheme and functional characteristics of the system are introduced in the paper. The instrument has the advantages of small size，high accuracy，fast detection speed etc.. In addition，the apparatus is designed with a data transmission interface，convenient data analysis and comprehensive utilization.

Key words：Osmotic pressure meter;Mechanotronics;Freezing point test;Medicine

引言

滲透壓儀在醫藥、衛生領域應用十分廣泛。在制作注射針劑、滴眼液等藥物時，必須考慮藥劑的滲透壓，滲透壓過高或過低都會導致人體細胞干死或細胞壁破裂等嚴重后果。為了更好的指導醫生臨床用藥，必須在藥物標簽上注明溶液的滲透壓相關參數[1-2]。因此研制開發滲透壓測試儀器在藥物研發、生產及臨床用藥等方面具有重大意義。

目前，常用的滲透壓測定方法有：冰點下降法、沸點升高法、半透膜法等[3]，本文提出的新型滲透壓測量儀采用冰點下降法設計，融合了機電一體化系統設計理論。該儀器克服了傳統檢測方法的不足，具有體積小、精度高、重復性好、操作簡便等優點。

1.滲透壓儀工作原理及技術方案

1.1 工作原理

本文提出的滲透壓儀基于拉烏爾冰點理論設計。所謂拉烏爾冰點理論就是任何溶液如果其單位體積所溶解的顆粒總數相同，則引起溶液冰點下降的值也相同。根據該理論，我們知道，水溶液的滲透壓摩爾濃度與其對應的冰點值有一一對應關系;其滲透壓摩爾濃度與冰點溫度下降值為線性關系，其關系為;其中表示水溶液的滲透壓摩爾濃度;表示水溶液的冰點溫度值相對于水的冰點溫度值的下降值。可見，通過測量被測水溶液的冰點溫度下降值可以算出對應水溶液的滲透壓摩爾濃度。

對于任意水溶液，其結冰過程可以用圖1所示的結冰曲線來描述。圖中AB段為降溫階段;BC段為過冷階段;CD段為溶液受到擾動后，開始結晶放熱，溶液溫度回升階段;DE段為溫度穩定階段，該段溫度即為所測溶液的冰點溫度。因此，測得這段平穩曲線的溫度值，最終就能評價所測溶液的滲透壓值。

圖1 水溶液結冰曲線圖

1.2 技術方案

基于拉烏爾冰點理論的滲透壓測量儀總體上可以分為機械結構和控制電路兩部分，儀器整體是一個典型的機電一體化裝置，整個系統的設計遵循機電一體化系統設計原則。其中，機械結構部分包括一套探針攪拌機構、兩套制冷機構、和兩套傳動及定位機構。控制電路部分包括供電電路、單片機電路、通信電路、傳動控制電路、制冷控制電路、高精度溫度檢測電路、按鍵及顯示電路等，控制電路結構如圖2所示。儀器采用AC220V供電，通過內部的供電電路，轉換成+5V、±15V，+12V等控制電源供儀器使用;單片機選用STC12C5A芯片，實現鍵盤讀入、LCD顯示、高精度溫度測量、制冷和傳動控制等功能。STC12C5A60S2是一款高效微控制器，內部集成了10位ADC模塊，轉換速度可達250K/S，具有技術成熟可靠、靈活方便、價格低廉等優點，其軟硬件資源可以滿足設計要求[4];溶液冰點溫度測量采用美國SENSOR公司的負溫度系數熱敏電阻SP60A實現。該型號的熱敏電阻采用玻璃封裝形式，能夠實現液體溫度的高精度測量，誤差為±5%;半導體制冷元件采用單級溫差電制冷組件TEC1-12706設計，該組件采用+12V供電，配合NTC溫度傳感器實現對樣品和探針的制冷控制;此外，儀器還設計有按鍵、液晶顯示、EEPROM存儲等電路，用于完成標定和測量參數顯示等功能。

圖2 滲透壓儀控制電路結構圖

圖3 機械系統結構示意圖

2.儀器機械結構設計

本儀器的機械結構主要包括三部分，下面將分別介紹。

1）探針攪拌機構。由直流電動機、曲柄滑塊機構和探針組成，該機構利用電機轉動，帶動探針做上下直線運動，從而實現對溶液的攪動并觸發其立刻結晶。

2）制冷機構。本儀器有兩套制冷機構，分別負責對被測溶液和探針的制冷控制。每套制冷機構包括制冷半導體、制冷銅塊、溫度傳感器和絕熱填充材料等。

3）傳動和定位機構。本儀器有兩套傳動和定位機構，分別負責對制冷機構的平移控制和探針攪拌機構的升降控制。每套傳動和定位機構由直流電動機、齒形帶傳動機構、光耦開關等組成（見圖3）。

3.儀器硬件電路設計

3.1 冰點溫度檢測電路

儀器中，溶液冰點溫度的檢測采用NTC溫度傳感器SP60A來完成。檢測電路如圖4所示。NTC插入樣品，與被測溶液充分接觸，當溶液溫度發生變化時，NTC的阻值也隨之變化，利用圖4所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得溶液溫度。根據結冰曲線，可以分析出溶液的冰點溫度。電路分析：IC6A，R97，R98組成一個200mA恒流源電路;利用恒流源將NTC的阻值轉換為電壓信號;再利用IC7采集并將信號送給單片機;最后單片機再根據溫度曲線計算冰點溫度。

3.2 傳動控制電路

傳動控制電路是本設計的重要組成部分，是整個電路系統的一個有機整體。儀器中有兩套傳動機構，分別由兩個12V供電的直流電機控制，實現制冷機構的平移控制和探針機構的升降控制。電機控制由LMD18200完成[5]。LMD18200是美國國家半導體公司推出的專用于直流電機驅動的H橋組件。其連續輸出電流達3A，工作電壓高達55V，且具有過熱和短路保護功能，能夠方便的實現對直流電動機的可靠控制。電機控制電路原理如圖5所示，LMD18200所接收的轉向信號由單片機的P1.1輸出，而PWM信號由P1.2模擬輸出，實現直流電動機的轉速和轉向控制，進而實現對傳動系統的控制。

圖5 電機控制電路原理

3.3 制冷控制電路

滲透壓儀在工作過程中，（下轉第121頁）（上接第119頁）探針和被測溶液需要通過半導體制冷來使其達到規定的溫度范圍。本儀器中半導體制冷元件采用單級溫差電制冷組件TEC1-12706設計，該組件采用+12V供電，配合NTC溫度傳感器實現對樣品和探針的制冷控制。電路圖如圖6所示。當P2.1為低電平時，Q1導通，制冷半導體得電，開始制冷;當溫度達到規定值時，P2.1變為高電平，Q1截止，制冷半導體失電，停止制冷。

圖6 制冷控制電路原理圖

3.4 RS485總線接口電路

本文設計的總線接口電路采用RS485通信方式，接口電路原理如圖7所示。利用RS485總線接口，實現滲透壓儀的數據傳輸與分析。

圖7 RS485接口電路原理圖

4.實驗與分析

針對設計的滲透壓測量儀，進行了測試實驗，實驗對象是質量分數為0.9%的NaCl標準溶液。三次測量據如表1所示。實驗結果表明，三次測量結果的相對偏差小于1%，測量平均值的相對誤差小于1%，本儀器的測量精度和重復性較高，能夠滿足設計要求。

表1 滲透壓儀精度及重復性實驗數據表

電壓值（V） 冰點溫度

（℃） 滲透壓摩爾濃度

（mOSmol/kgH2O） 誤差

第一次測量 1.837 -0.535 287.9 -0.2%

第二次測量 1.839 -0.538 289.5 0.3%

第三次測量 1.835 -0.532 286.3 -0.7%

平均值 1.837 -0.535 287.9 -0.2%

標準值 288.5

5.結束語

本文提出的新型滲透壓測量儀采用冰點下降法設計，融合了機電一體化系統設計理論。該儀器克服了傳統檢測方法的不足，具有體積小、精度高、重復性好、操作簡便等優點。在醫藥、生物和食品衛生等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]董來鑫，李艷寧.基于MSC1210的冰點溫度測量系統[J].電子測量技術，2008，8：151-153.

[2]戴稼禾，忻偉鈞.冰點滲透壓計及其在醫學臨床上的應用[J].中國醫療器械雜志，1997（3）：65-66.

[3]葉宏宇，沈滿，劉鎖.滲透壓測量方法簡析[J].藥物分析雜志，2001（21）：94-95.

[4]陳桂友.增強型8051單片機實用開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5]趙景.基于ARM的溶液冰點儀研制.碩士學位論文，天津大學，2007.

基金項目：中央高校基本科研業務費資助（項目編號：3142013099）。

作者簡介：李學哲（1976—），男，吉林通化人，碩士研究生，講師，主要從事傳感器測控、光機電一體化技術方面的研究工作。